Двигатель клапан когда создали (7 видео)

Видео:Шокирующие новости автопрома Магнитные клапаны из ТорбеевоСкачать

Автомобильный двигатель без распределительного вала

Кандидат технических наук Д. СОСНИН.

Исторически сложилось так, что отечественное автомобилестроение развивалось в попытках догнать западных коллег. По-настоящему оригинальные модели (к ним относится, скажем, “Победа”) можно пересчитать по пальцам. И все же интересные разработки, внедрение которых позволило бы нашим автомобилестроителям успешно конкурировать с зарубежными, появляются. Предлагаем вниманию читателей рассказ о необычном механизме, предложенном доцентом кафедры “Электротехника и электрооборудование” Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Д. А. Сосниным. Устройство позволяет отказаться от применения в двигателе привычного распределительного вала и в то же время гибко управлять фазами газораспределения и величиной хода клапанов.

ТАМ, ГДЕ ЭЛЕКТРОНИКА ПАСУЕТ

Любой автомобилестроитель стремится к тому, чтобы двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на его машинах работали в оптимальном режиме: обеспечивали максимальную мощность, равномерность крутящего момента, минимальный расход топлива, наименьшую токсичность выхлопных газов. Однако пока этого никому не удалось добиться в полной мере, поскольку улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. В последнее время, правда, достигнут существенный прогресс благодаря применению автоматизированного управления работой двигателя с широким использованием электроники.

При составлении программы для системы управления двигатель на специальном испытательном стенде вводят в устойчивый режим работы и последовательно корректируют все параметры так, чтобы для данного режима они обеспечивали наилучшие выходные характеристики. То же проделывают при других режимах. Результаты записывают в постоянную память электронного блока в виде многомерной диаграммы, с помощью которой в дальнейшем формируются управляющие сигналы по каждому из параметров.

Например, в комплексной электронной системе “Motronic” (ФРГ), которая управляет впрыском топлива и зажиганием, пять таких диаграмм: для корректировки угла опережения зажигания, времени впрыска топлива, положения клапана рециркуляции (устройства, возвращающего часть выхлопных газов в цилиндр для лучшего дожигания топлива), времени накопления энергии в катушке зажигания и положения дроссельной заслонки. В качестве входных параметров в этой системе используются частота вращения коленчатого вала, крутящий момент и температура двигателя, а также напряжение аккумуляторной батареи. На выходе контролируют соответствие оборотов двигателя крутящему моменту и содержание окиси углерода в выхлопных газах.

К сожалению, в автомобиле есть система, которая не поддается регулированию даже самой изощренной автомобильной электроникой. Это газораспределительный механизм с жесткой кинематической связью между коленчатым и распределительным валами.

Специалисты считают, что классический двигатель достаточно совершенен и если иногда плохо работает, то лишь потому, что “задыхается от собственного выхлопа”; стоит дать двигателю побольше кислорода, позволить “дышать полной грудью”, и ему не будет альтернативы.

Помочь двигателю можно, если бы удалось сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов, в первую очередь впускных. Вспоминается, как еще в начале 70-х годов прошлого века автогонщики прибалтийских

республик выигрывали состязания, добиваясь частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин на холостом ходу и до 8000 об/мин на полном газу. Впоследствии выяснилось, что они раздобыли шаблон распределительного вала, наплавляли кулачки и затем вручную доводили их форму. С такими распредвалами двигатели выдавали высокие характеристики (мощность и крутящий момент), но только на больших оборотах. Для спортивных машин это хорошо, но для “частных” — неприемлемо. Тем не менее такой факт говорит о заметной роли запаздывания или опережения фазы клапанов.

Как же заставить клапан открываться и закрываться в тот момент, который соответствует оптимальной работе двигателя? Ясно, что нужно управлять фазами газораспределения в зависимости от частоты вращения, положения и нагрузки коленчатого вала. Традиционный кулачковый распредвал не позволяет решить эту задачу.

В небольших пределах соотношение фаз газораспределения можно регулировать с помощью механических, электромеханических, гидравлических, пневматических приводов клапанов. Но наиболее перспективным считается электромагнитный привод, управляемый электроникой. С его помощью можно не только оптимизировать работу двигателя, но и расширить его функциональные возможности. Так, четырехцилиндровый двигатель при изменении порядка срабатывания клапанов можно заставить действовать как двух- или трехцилиндровый; он более равномерно работает при переменных нагрузках, потребляет меньше топлива на максимальных оборотах при заданной мощности. Не будет у такого двигателя проблем с изменением направления вращения коленчатого вала.

Читайте также: Обход клапана n249 схема

На первый взгляд все выглядит очень просто, но почему-то на автомобилях электромагнитные клапана пока встречаются только в экспериментальных разработках.

Попытку реализовать идею электромагнитного клапана с гибким управлением предпринял в середине XX века профессор МАДИ В. М. Архангельский. Включение и выключение электромагнитов происходило при замыкании и размыкании контактов, связанных с кулачками распределительного вала. На место клапан возвращался пружиной.

В схеме Архангельского был предусмотрен центробежный регулятор на распределительном валу. При изменении частоты вращения он смещал положение кулачков и вызывал опережение открывания и закрывания клапанов. Таким образом, регулятор играл роль обратной связи. Это позволяло обходиться без программного управления, которого, кстати, тогда и не могло быть.

К сожалению, несмотря на изящество схемы, работоспособную конструкцию создать не удалось. Дело в том, что клапан должен быстро срабатывать и надежно закрываться, а поэтому требуется возвратная пружина с большой жесткостью. Соответственно нужен мощный электромагнит, который потребляет значительный ток из бортовой сети автомобиля. В те времена не было мощных полупроводниковых вентилей и металлические контакты при коммутации больших токов быстро выгорали. Наконец, при закрытии клапана возвратной пружиной происходил сильный удар головки клапана о гнездо, что вызывало шум при работе газораспределительного механизма и вело к частым поломкам клапанов.

Избавиться от многих недостатков, присущих клапану Архангельского, можно, если вместо одного электромагнита поставить два — открывающий и закрывающий. Подобная схема была разработана одним из студентов Тольяттинского государственного университета в дипломном проекте под руководством доктора технических наук профессора В. В. Ивашина.

В данном варианте конструкции пружины не нужны, и поэтому электромагниты могут быть меньших размеров и мощности — ведь большой ток потребляется лишь при закрывании и открывании клапанов, а для их удержания достаточна сила тока в десять раз меньше.

Но главное, теперь можно обойтись совсем без распределительного вала, поскольку задавать время срабатывания и силу тока через обмотку электромагнита может программируемый контроллер — электронное устройство, обычно на микропроцессоре, управляющее работой двигателя и других систем автомобиля.

В НАМИ под руководством кандидата технических наук А. Н. Терехина начали проводить исследовательские и конструкторские разработки газораспределительного механизма с электромагнитным приводом клапанов на базе двигателя М-412. В результате был создан действующий макет газораспределительного механизма с двухсторонними электромагнитами на восьми клапанах. Но с начала 1990-х годов финансирование прекратилось, и перспективная разработка затерялась в архивах.

Несколько лет назад работы над новым газораспределительным механизмом были возобновлены на Волжском автозаводе под руководством главного конструктора АвтоВАЗа П. М. Прусова. Так, среди тем Всероссийского конкурса “Русский автомобиль” (см. “Наука и жизнь” № 12, 2002 г.) была объявлена “Разработка системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов для 16-клапанного двигателя ВАЗ”. На конкурс были представлены два проекта, но оба совсем “не по делу”, и их даже не стали рассматривать.

Тем временем над усовершенствованием электромагнитного привода клапанов начали работать японские, американские и (с наибольшим успехом) немецкие автомобилестроители. Уже в 2002 году компания БМВ приступила к испытаниям на реальном 16-клапанном двигателе газораспределительного механизма с электромагнитным приводом всех клапанов.

Тогда же к разработке электромагнитных газораспределительных клапанов приступили на кафедре “Электротехника и электрооборудование” МАДИ (ГТУ).

Хотя на Западе нас не признавали конкурентами: мол, “отстали на 10 миль” (на жаргоне автогонщиков так говорят об отставших на два круга, что означает — слабаки), однако автором запатентована конструкция, которая решает большинство проблем, присущих электромагнитным приводам.

В ней вместо громоздких электромагнитов, установленных над клапанами, применены длинные соленоиды. Торможение сердечника в длинном соленоиде реализуется не жесткими упорами, а краевыми магнитными полями, и работа привода становится бесшумной. Кроме того, ход клапана может быть сколь угодно большим и регулируемым. Возвратно-поступательное движение от электромагнита к клапану передается через штангу и качающееся коромысло. Благодаря этому привод можно устанавливать не над блоком цилиндров, а на его боковой поверхности. В результате значительно уменьшается высота двигателя, а для охлаждения и смазки деталей привода используются штатные системы автомобиля.

Читайте также: 152 qmi зазоры клапанов

Теперь дело за моторостроителями. Если удастся воплотить идею в металле, в России появится приемистый и экономичный автомобиль, который к тому же будет удовлетворять самым жестким требованиям по чистоте выхлопа.

Видео:Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать

Разборка ABW.BY. Раз, два, три, четыре, пять – вышел клапан погулять

Сколько клапанов нужно двигателю? Ответ на этот вопрос был дан еще за несколько лет до первой мировой войны, когда компания Peugeot представила ничем не примечательный внешне, но невиданно быстроходный для того времени автомобиль. После нескольких убедительных побед в европейских Гран-при машину отправили покорять Новый Свет, где в Индианаполисе она не замедлила оправдать самые худшие ожидания американских гонщиков, нанеся по их амбициям чувствительный удар.

Секрет небывалой резвости Peugeot находился под капотом, где был установлен двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр. Сегодня таким количеством клапанов никого не удивишь, но сто с лишним лет тому назад это было революционное решение.

Примечательно, что его автор Эрнест Анри пришел к идее использования четырех клапанов вместо двух лишь с целью избавиться от поломок клапанных пружин, не выдерживавших при увеличении оборотов двигателя инерционных нагрузок от массы клапанов. Увеличение количества клапанов означало уменьшение их размеров, а значит, веса, что и привлекло внимание Анри. О значительном приросте мощности поначалу речь не шла, но благодаря именно этому «побочному» эффекту, обеспечиваемому многоклапанным газораспределением, имя Анри теперь вписано в историю автомобилестроения.

Однако благодаря чему эффект обеспечивался? Мощность можно наращивать самыми разными способами. Например, увеличивая объем двигателя, что, кстати, во времена Анри и было наиболее простым и самым распространенным решением вопроса. Но можно, не изменяя объем мотора, увеличивать частоту вращения коленчатого вала, ведь мощность напрямую зависит от количества рабочих тактов, совершаемых в двигателе за единицу времени.

Плохо это тем, что от скорости вращения коленвала зависит время, отводимое на впуск горючей смеси и удаление отработанных газов. Чем коленвал быстрей крутится, тем хуже условия для качественного газообмена. Надо открывать клапаны раньше и закрывать позднее, но в таком случае увеличивается период, когда впускной и выпускной клапан будут открыты одновременно. Что хорошего в том, что часть горючей смеси, не дождавшись воспламенения, вылетит из цилиндра вслед за отработанными газами в выхлопную трубу, так и не выполнив свою главную задачу?

Стало быть, нужно увеличивать проходное сечение клапанов, чтобы за время их открытия требуемое количество горючей смеси без нерациональных потерь успело заполнить цилиндр, а отработанные газы как можно быстрее его покинули. Однако тогда увеличиваются размеры клапанов, они становятся тяжелыми и при увеличении оборотов двигателя начинают ломать свои пружины. Это, как уже понятно, вновь возвращает нас к Анри, решившему вместо двух больших по размерам и тяжелых клапанов поставить четыре маленьких и легких: два впускных и два выпускных.

Одновременно при этом почти в полтора раза увеличилась суммарная площадь проходного сечения клапанов и их общая пропускная способность, благодаря чему увеличивалось количество свежего заряда, наполнявшего цилиндр за отведенное на впуск время, а с ним росла и мощность, выработанная от сгорания. Кроме того, изменилось распределение поступившей в цилиндр горючей смеси, став более равномерным, что улучшило процесс сгорания и благоприятно отразилось на величине расхода топлива.

Тем не менее понадобилось более 70 лет, чтобы находка работавшего в Peugeot швейцарского конструктора наконец-то нашла применение не только на гоночных и спортивных автомобилях, но и заинтересовала производителей массовых моделей. Почему так случилось?

За все надо платить. Увеличение количества клапанов не только улучшало наполнение цилиндров горючей смесью и удаление отработанных газов, но и вело к усложнению конструкции двигателя, что отражалось на стоимости производства, а с ним — на конечной цене автомобиля. Помимо этого приходилось учитывать, что эксплуатация более сложного двигателя предполагает увеличение затрат на его обслуживание и ремонт. Наконец, надежность. Были, оказывается, времена, когда производители относились к ней с большим трепетом, нежели сейчас, учитывая, что не ломается только та деталь, которой нет. При увеличении количества деталей растет и вероятность неисправностей. В общем, пришлось ждать, пока преимущества перевесят цену, которую за них необходимо было заплатить.

Читайте также: Что бы не гнуло клапана ваз 2112 16 клапанов

Но как только нефтяной кризис 1970-х годов вынудил автомобилестроителей обратить внимание на компактные модели с малолитражными двигателями, а более простые способы улучшения их мощности и экономичности были исчерпаны, час «многоклапанников» пробил.

Моторы с числом клапанов на цилиндр более двух начали появляться как грибы после дождя и стали вытеснять из производственных программ автозаводов стремительно устаревающие «двухклапанники». Дольше всех держались дизели, в основном из-за того, что были сравнительно малооборотными. Плюс к этому многие дизели были турбированными, а стало быть, воздух в их цилиндры поступал не за счет разряжения в освобождающемся над поршнем пространстве во время такта впуска, а принудительно нагнетался. Однако в конце концов сдались и они.

Судя по тому, что в настоящее время предложенное Эрнестом Анри количество клапанов на цилиндр стало самым распространенным в двигателестроении вариантом, похоже, помимо инженерного таланта швейцарец обладал еще и даром провидения.

Но почему не три или пять клапанов и больше? Причина та же, что долго сдерживала применение четырехклапанной технологии. Право на жизнь получают конструкции, преимущества которых перевешивают свойственные им недостатки.

Что, например, помешало развитию схем с пятью и более клапанами, ведь по эффективности газообмена они лучше четырехклапанного газораспределения? Первая причина понятна – такие ГРМ более сложные конструктивно со всеми вытекающими из этого обстоятельства последствиями для затрат не только на их изготовление, но и на производство головки цилиндров и других узлов. Однако одновременно с количеством клапанов возрастают потери на трение в клапанном механизме, которые частично компенсируют выгоды, полученные от увеличения числа клапанов, из-за чего оно уже не дает тех результатов, которые хотелось бы получить. Это вторая причина, но помимо этого требуется уменьшать размеры клапанов, что сказывается на прочности и требует использования более дорогих материалов с высокими прочностными характеристиками.

И главное – частокол из клапанов создает трудности с размещением в головке цилиндров деталей, не имеющих к ГРМ отношения, например, свечей зажигания и накаливания, топливных форсунок, которые оказывают весомое влияние на оптимизацию рабочего процесса, протекающего в двигателе. Прямой впрыск бензина способствует более существенному улучшению характеристик, поэтому когда возникла необходимость переноса форсунок из впускного коллектора, где они располагаются при распределенном впрыске, в головку цилиндров, стало ясно, что число клапанов свыше четырех – перебор, если только конструкторы специально не преследуют достижение максимально возможной мощности.

Газообмен, в котором за впуск отвечают два клапана, а за выпуск – один, плох тем, что он менее эффективен. Поэтому трехклапанный ГРМ может быть интересен, только когда перевесят его преимущества в компактности, дешевизне изготовления, надежности и упрощении обслуживания и ремонта. Было время, когда освободившееся место четвертого клапана использовалось для размещения второй свечи и оптимизации зажигания, но сейчас лишь две лазейки оставляют моторам с числом клапанов на цилиндр менее четырех возможность выхода на рынок.

Первая – тенденция к уменьшению размеров силовых агрегатов, их миниатюризация, downsizing, одним словом. Вторая – выпуск автомобилей, в народе называемых бюджетниками, при производстве которых экономят на всем с целью максимального удешевления. Для них два или три клапана на цилиндр – это по-прежнему так же нормально, как и в доисторические по меркам автомобилестроения времена.

Означает это только одно – идеального числа клапанов все-таки не существует. Все определяет баланс между достоинствами и недостатками, чему подтверждение то, как долго оставался невостребованным потенциал четырехклапанного газораспределения, хотя его возможности и эффективность были наглядно доказаны более 100 лет назад.